宇宙大爆炸（四）  终结集

周生智

宇宙大爆炸（四） http://space.tv.cctv.com/video/VIDE1245595955847888

    在一幅曾经流行的招贴画中，作为“宇宙大爆炸”理论提出者的伽莫夫，被假想成从装有大爆炸太初物质的瓶子中跳出的魔鬼。在霍依尔提出，如果大爆炸真的发生过，请问爆炸所遗留下来的痕迹在哪里的质疑以后，伽莫夫和他的学生就在研究这个问题。伽莫夫和他的学生们坚信，高热爆炸产生的辐射，即使是在100多亿年后的今天，也不会完全消失。伽莫夫依据什么，得出这样的结论呢？
　　如果我们烧一堆篝火，或者进行一次爆炸，都会产生明亮的光，这些光向四面八方飞去，以后我们自己再也没有机会看到。但是假如有一个外星人在遥远的地方向这里眺望，他是可以看到这些光的。由于宇宙大爆炸是在整个宇宙中发生的过程，因此，无论我们向哪个方向看，都能看到这些光。随着宇宙的膨胀，这些光的波长也随之增加，现在处于毫米波的微波波段，温度也已经低到绝对零度（零下273度）以上几度，所以肉眼看不见了，但还是应该能用仪器探测到。
　　正是由于知道了这一点，伽莫夫才对找到大爆炸遗留的辐射充满信心。在铁幕的另一边，前苏联核武器设计的负责人泽尔多维奇和他领导的科研小组，在完成氢弹的设计研究工作后，也开始研究宇宙大爆炸理论，他们也注意到，大爆炸过后会有余光残留下来。用什么观测手段，才能找到这样的辐射呢？由于长期从事国防研究，他们一直关注着美国在电子技术方面的最新进展。不久前，美国贝尔实验室建立了一座用于卫星通信试验的，高灵敏度微波天线。苏联人注意到，这座天线的灵敏度应该足以探测到大爆炸的遗迹。然而阅读美国人关于这座天线的实验论文，似乎并没有提及这样的热辐射，这使苏联人一度认为，宇宙大爆炸理论也许并不成立。
　　实际上，贝尔实验室对这座天线性能的测试并不彻底，对卫星通信来说这也不是必要的。卫星通信实验结束以后，贝尔实验室的两位科学家，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊希望用它做一些射电天文研究，在正式开始研究以前，他们决定先进行严格的测试和校准。
　　在进行测试和校准的过程中，他们意外地发现天线接收的信号里有多余的噪声。他们不知道噪声从何而来，也许传输线路和电子器件本身会有噪声，也许噪声来自大气层或是地面辐射。这些可能性一一排除以后，噪声依然存在。找不出问题的根源使他们非常着急。
　　威尔逊和彭齐亚斯觉得，实验室就在纽约附近的小山上，是不是城市的噪声传过来了呢？他们把天线对向纽约，结果没发现任何特别的状况，这意味着纽约并没有发出那种频率的噪声。不管把天线对着哪个方向，烦人的噪声总是挥之不去，即使把天线指向太空，噪声依然存在。
　　威尔逊和彭齐亚斯心想，既然噪声与方向无关，是不是天线本身的问题呢。他们在检查以后发现，天线里面住了一对鸽子。在他们接管这里之前，天线闲置了很长时间。鸽子住在里面，弄得到处都是鸽粪。威尔逊和彭齐亚斯觉得，这下总算找到根源了。他们花了两个星期来清除鸽粪，并把鸽子送到了离贝尔实验室最远的分公司。但几天以后，鸽子又飞回来了。他们只好请工人带猎枪过来。
　　鸽子事件以后，奇怪的无线电噪声仍然不断，威尔逊和彭齐亚斯用了一年的时间，彻底检查他们的天线。到第二年，他们快要绝望的时候，彭齐亚斯偶然和同行伯克聊起此事，伯克说：他的一位朋友，曾听过普林斯顿大学一位叫皮伯斯的学者作过的一个报告，谈到他们也在进行类似的工作。伯克告诉彭齐亚斯，他们发现的奇怪噪声，可能正是普林斯顿大学狄基小组，正在寻找的东西。于是彭齐亚斯赶紧给狄基打去电话。
　　狄基教授是位很有思想的科学家，在他看来，宇宙可能既不像霍伊尔所说的那样永恒不变，也不像勒梅特和伽莫夫所设想的，在某一时刻创生。宇宙可能是永恒存在却循环往复，先膨胀，然后再收缩，缩到一定程度再反弹，开始新一轮的膨胀。他意识到在这样的模型中，宇宙收缩后反弹的那一刻温度、密度也很高，其实非常类似伽莫夫的宇宙大爆炸条件。而且，他也意识到爆炸后会有热辐射遗留下来。
　　狄基教授在第二次世界大战时，曾从事雷达研究，并发明了计量微波辐射的仪器。这个仪器正好在此次实验当中用上。他让助手之一的皮伯斯从事理论计算，而另一位助手威尔金森则设计实验仪器。他们将天线安装到了普林斯顿大学的屋顶上。就在他们自信把探测仪器调试得完美无缺的时候，接到了罗伯特·威尔逊的电话。
　　电话铃响的时候，普林斯顿大学研究组的成员都在狄基教授的办公室。当他们听说有关天线的事时，大家的耳朵都竖起来了。因为在他们听来，贝尔公司拥有普林斯顿正在建造的设备，而且似乎也在做同样的工作。狄基教授接完电话后对他的同事们说：“我们被人抢先了”！
　　狄基教授和他的同事们，立刻带上自己的资料来到贝尔实验室，他们要亲身体会这个无线电波的噪声。当罗伯特·威尔逊和彭齐亚斯看到狄基教授带去的仪器和记录时，他们终于明白，那个推论中的宇宙大爆炸的“痕迹”，被他们无意中发现了。
　　宇宙微波背景辐射，也就是大爆炸“痕迹”的发现，以确凿的证据证明了，宇宙的确曾经处于与今天完全不同的高温高密状态，这是继哈勃发现宇宙膨胀之后，宇宙学研究上的又一个重大突破。
　　认为宇宙起源于“原始原子”，并以此说服爱因斯坦的勒梅特，在他临终前几天听到了这个消息。他的宇宙创生于“没有昨天的那一天”的猜想，终于被科学所证明。而建立了完整的大爆炸理论，并对遗迹辐射温度做出科学预言的伽莫夫，则以他特有的幽默来回应人们的祝贺：“我也许确实丢过一分钱。但当有人在街上捡到一分钱时，我也不能说那一定就是我丢的。”这位谦逊的物理学家于1968年去世，而彭齐亚斯和威尔逊，也因为自己的发现，在13年后的1978年，获得了诺贝尔物理学奖。
　　宇宙微波背景辐射被发现的时候，斯蒂芬·霍金正在剑桥攻读博士学位，这件事情很可能促使他选择大爆炸和爱因斯坦的相对论，作为博士论文的研究主题。
　　霍金刚到剑桥的时候，是想拜霍伊尔为师的，但霍伊尔那时不收新学生，霍金转投到了丹尼斯·希尔玛门下。丹尼斯·希尔玛开始也是稳恒态理论的支持者，后来转为支持大爆炸理论了，他对霍金的帮助很大。
　　研究活动刚开始，霍金就遇到了很大的麻烦：在剑桥霍金并没有一个好的开始，他刚被诊断出得了肌肉萎缩侧向硬化症，根本不知道能不能活到念完博士，而又一直找不到论文的适当题材。
　　斯蒂芬·霍金当年的导师丹尼斯·希尔玛，晚年就住在意大利的威尼斯。他回忆那时的情景说：博士论文必须要包含大量的原创知识，这是一个很大的负担。因为你必须要在3年的时间内，作出这样一篇论文，里面一定得要有成果。当时正是宇宙学很不兴盛的时候，斯蒂芬的进度很慢。他找不到好的论文题目，而希尔玛自己，也没有好的东西给他。
　　时间越来越少，在剩下不到一年的时候，斯蒂芬·霍金受牛津大学数学教授罗杰·彭洛斯的启发，决定从爱因斯坦的相对论入手，看看它对宇宙还能预示些什么。霍金的导师希尔玛，是彭洛斯的好朋友，希尔玛就决定到牛津去，听听彭洛斯的意见。
　　彭洛斯正在研究爱因斯坦方程可能导致的另一种结果，即由于引力的驱使，大量的物质，坠入一个密度极大的区域中，以致光都无法从中发出来，这个区域就是“黑洞”。黑洞中存在着一个密度无限大的点，在这里，一切已知的物理学定律，都要失效，这就是所谓时空的“奇点”。
　　彭洛斯的研究结果显示，宇宙中大质量的物质，即大质量的恒星会坍塌，并最后被压缩成“黑洞”，这一过程在所难免。霍金恰好就从这一点寻找到了突破，据他的导师希阿玛回忆，霍金意识到，如果把彭洛斯所描绘的坍塌过程反转过来，那么扩张的宇宙也就是正在反向的坍塌。这恰好就是大爆炸发生的过程。
　　1970年，霍金和彭洛斯在论文中证明，如果广义相对论和经典物理学是正确的，那么，时空中一定存在着“奇点”。因此黑洞和宇宙大爆炸都不是奇怪的事，而且是不可避免的。
　　宇宙微波背景辐射被发现后，一些原来主张稳恒态理论的人，转而接受大爆炸理论。但是霍伊尔并没有完全认输，他和持相同观点的几位科学家，一直尝试用别的办法解释宇宙微波背景辐射。他们设想，普通星系发出的光，如果被宇宙中均匀分布的尘埃吸收，然后再以较低的能量发射出来，会不会也能产生我们看到的宇宙微波背景辐射呢？
　　霍伊尔所说普通星系发射的光，产生的辐射很难具有完美的黑体辐射谱。所谓黑体是指能够吸收而不反射和透射所有波长电磁辐射的物体。这种辐射在室温下因肉眼不可见而呈黑色，1000度左右呈红色，随温度升高陆续转为黄色、蓝色。炼钢工人就是这样从炼钢炉窗口的颜色来判断炉温的。早期宇宙满足黑体条件，它产生的辐射应该有接近完美的黑体辐射谱。
　　彭齐亚斯和威尔逊的观测只是在一个波长处进行的，虽然与绝对温度3度的黑体辐射在该波长的强度相符，但要进一步证实它是不是大爆炸的遗迹，是否具有完美的黑体辐射谱，还需要在其他各个波长，特别是毫米波段进行精确测量。1975年，美国航空航天局决定，采纳本局戈达德航天中心物理学家约翰·马瑟等人的意见，专门研制一颗卫星，用以对宇宙微波背景辐射，进行精确测量。这颗卫星被命名为COBE。马瑟负责辐射谱仪的研制，还担任了COBE卫星的总负责人。
　　1989年一个多风的早晨，美国航空航天局将COBE卫星送上了太空。COBE 最初9分钟的观测结果就表明，宇宙微波背景辐射确实具有完美的黑体辐射谱，大爆炸理论得到了进一步的证实。
　　大爆炸理论已接近完整。但是仍然有一个重要的问题：如果要形成星系，最初的宇宙必须不是完全均匀的。彭齐亚斯和威尔逊发现的辐射，应该能够反映这一点。但它却似乎与方向无关，如果大爆炸理论正确，那么各方向上的辐射必定有所不同，这一定要有观察的证明。
　　今天的宇宙并不是完全均匀的。早在哈勃和兹威基的时代，从事观测的天文学家们就发现，在他们得到的照相底片上，星系的分布并不是完全均匀的，而是有的地方密一些，有的地方稀一些。但是，星系在空间中究竟是怎样分布的呢？
　　20世纪80年代，几个研究小组分别测量了几千个星系的红移。其中影响最大的是哈佛－史密思天体物理中心的观测。这些观测揭示了星系的三维空间分布。
　　星系结构的不均匀分布，导致宇宙空间呈现一种大尺度的结构状态。这一点，尤其在河外星系表现得非常明显。河外星系的空间尺度之大，经常要以10亿光年来计算。那么，这些大尺度结构又是怎样形成的呢？
　　美国的皮伯斯和前苏联的泽尔多维奇等人认为，早期宇宙中，物质密度可能存在一些非常微小的不均匀性，它们在引力的作用下逐渐成长为星系、星系团、以及更大尺度的结构。如果是这样，宇宙早期的背景辐射必须在各方向上有一些微小的起伏，天文学家称之为各向异性。而探测宇宙微波背景辐射中的各向异性，是COBE卫星的另一个重要任务。
　　这个任务，落到了美国伯克利大学教授——乔治·斯穆特的肩上。乔治·斯穆特是一位宇宙学家，他认为，这项工作是一个大的挑战。如果能找出宇宙微波背景辐射在不同方向上的微小变化，宇宙形成及扩张的秘密，将进一步解开。
　　斯穆特用一个类似普林斯顿大学使用过的定向号角天线，开始了一系列试验。他希望做出一张详细的地图，来标出大爆炸残留的遗迹，并勾画出银河及宇宙的结构。随后，斯穆特和他的小组，研制出了一套能消除包括地球大气层干扰在内的，具备高灵敏度的仪器。为了把这样精密的仪器带出大气层，他们最早尝试使用充氦的气球。但是气球很不可靠，而且容易受风的影响改变方向。他们又选择改用U2飞机，但很快发现飞机不能像气球那样停留在同一个位置，再加上燃料的限制，使用飞机的计划，也只好放弃。
　　他们发现，最好的选择是使用人造卫星。因为人造卫星完全在地球大气层之外工作，又可以停留在地球同步轨道的任何位置上，既具有必要的稳定性，而又不用担心来自大气层的干扰。
　　几年之后，美国太空总署给了斯穆特机会，这就是COBE卫星。COBE卫星升空不久，就发回来了准确的观测数据。在第一天快要结束的时候，斯穆特教授得到了一张清晰度前所未见的宇宙照片。他和他的小组花了一整年的时间，收集了3亿个观测数据，用计算机绘制出了一张宇宙微波背景辐射的图像，斯穆特将它称之为“宇宙蛋”。
　　这个宇宙蛋所显示的，是大爆炸结束时宇宙的图像，粉红和蓝色的区域分别表示温度的变化。宇宙微波背景辐射是非常均匀的，但是如果我们去掉均匀的背景，就可以看到各向异性。红色代表温度较高的区域，蓝色代表温度较低的区域。在这幅图中，我们看到，由于地球相对于宇宙微波背景辐射的运动，多普勒效应导致一边温度更高，这里用红色表示。我们再除去地球的运动。中间的红色带是由于银河系辐射的污染。再去掉这一块，剩下的就是宇宙微波背景辐射的“皱纹”。形成星系所不可缺少的，大爆炸后存留于宇宙不同方向上的，温度细微变化的证据，被找到了。
　　斯穆特当时还不敢完全相信这个结果，他因此请求组里一位同事再重新单独处理一下COBE发回来的数据，但是他没有告诉这位同事他自己已经得到的结果。第二天早上，斯穆特在自己办公室的门下看到一张计算机图像，这张图和斯穆特自己用计算机绘制出来的图，一模一样。上面还贴着一张写有希腊文“Eureka”字样的纸条，这个希腊词“Eureka”，是阿基米德发现浮力原理以后说的。意思是“我找到了，我发现了”！
　　COBE的探测结果，使大爆炸的理论再次得到观测的证实，大爆炸也终于被大多数人所接受。斯穆特教授筹建了一个博物馆，来纪念这项发现。当然，COBE的成功也有约翰·马瑟的功劳。由于约翰·马瑟和乔治·斯穆特在宇宙微波背景辐射研究中的贡献，他们在2006年获得了诺贝尔物理学奖。在马瑟和斯穆特获得诺贝尔奖的31年前，也就是1975年，斯蒂芬·霍金也因为大爆炸理论，得到了罗马教宗的接见。宇宙产生于一次大爆炸的观点，在科学和宗教两方面，都能找到认同。然而，大爆炸的理论并非就此完美无缺，它仍然还有一些问题需要解决。
　　1978年11月13日，美国普林斯顿大学的狄基教授，来到康奈尔大学做关于宇宙学的学术报告。在狄基的听众中，有一位是在粒子物理学研究组做博士后的阿伦·古思。谁也没有想到，就是这场报告，在当时名不见经传的古思心里，埋下了一颗种子。不久之后，古思提出了关于宇宙起源的新理论，使人们对宇宙大爆炸的认识，又深入了一步。